再生絲素蛋白基復合膜的制備及分離性能研究

發布時間：2020-05-27 10:52

【摘要】：隨著水污染日益嚴重和水資源的枯竭,人們對污水深度處理和循環再利用的要求越來越高。膜分離技術在水處理過程中的應用越來越廣泛,被稱為新一代的水處理技術。新型膜分離過程的大力發展及應用使膜材料的重要性愈發受到人們的關注。目前常用的膜材料絕大多數為合成高分子,而制膜過程中帶來的石化原料的消耗以及環境污染問題不容忽視。因此,對于可再生的天然高分子膜材料的探究則引起人們的重視。在蠶絲的紡織利用過程中,大量廢蠶絲、下腳料蠶繭被廢棄而未得到充分利用。本文以桑蠶繭為原料,制得了一種新型天然高分子分離膜,分析了膜的基本性質,討論了成膜機理,并探討了其對多種水中污染物的分離性能。本文通過“再生”的制備路線,從桑蠶繭中提取出絲素蛋白,制得了再生絲素蛋白溶液。通過引入天然聚多酚單寧酸的方法,制得了再生絲素蛋白/單寧酸復合納米微球,考察了制備條件的影響。實驗表明,當再生絲素蛋白溶液濃度為0.01 wt%,單寧酸濃度為0.05 wt%～1.00 wt%時,溶液中可生成納米微球,且其平均直徑的范圍為35 nm～139 nm。通過同步熒光等手段分析了單寧酸分子和絲素蛋白鏈的作用機理,并由此推斷納米微球的生成過程為:絲素蛋白分子鏈首先在疏水區域的自組裝作用下形成球形的膠束結構,引入多酚單寧酸后,單寧酸分子與絲素蛋白鏈間發生疏水相互作用和氫鍵作用,促使溶液中生成納米微球。以該納米微球為成膜元件,采用抽濾法制得了再生絲素蛋白復合膜。實驗結果表明,制得的復合膜具有非對稱結構,其活性分離皮層由緊密堆砌的納米微球構成,且含有大量納米孔隙結構。分離層厚度可通過改變制膜條件靈活調控,既能制得皮層厚度為49nm的超薄復合膜,又能獲得厚度大于1 μm的自支撐膜。考察了該膜的滲透性能、對多種物質的分離性能、pH響應性和選擇性分離性能。結果表明,降低分離層的厚度可大大增加復合膜的滲透通量;當分離層厚度為49nm時,其純水通量可達13888 L h-1m-2 bar-1。復合膜的分離性能主要受分離物尺寸及電荷性質影響。其對L-苯丙氨酸的截留率僅為4.0%,而對牛血清蛋白則可達99.9%;對羅丹明B等正電荷染料的截留率可達99.0%,而對皂黃等負電荷染料僅為49.5%。隨著pH值的降低和升高,膜分離層中的納米微球分別發生靜電屏蔽和靜電排斥作用,導致膜有效孔徑發生相應變化,表現出pH響應性。此外,該膜對羅丹明B/皂黃等混合染料溶液具有良好的選擇性分離性能,分離效率均可達到95.0%以上。
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